Исследование сверхчистой ферритной нержавеющей стали: Влияние на свойства, хрупкость и образование

Ферритная нержавеющая сталь относится к типу нержавеющей стали с массовой долей хрома (Cr) от 12% до 30%. В зависимости от массовой доли хрома она может быть разделена на низкохромистую, среднехромистую и высокохромистую.

Коррозионная стойкость ферритной нержавеющей стали пропорциональна массовой доле Cr. Чем выше массовая доля Cr, тем выше коррозионная стойкость. Однако для улучшения общих свойств и снижения негативного влияния карбида и нитрида Cr на механические свойства и коррозионную стойкость, тенденция развития ферритной нержавеющей стали заключается в снижении содержания углерода (C) и азота (N).

Сверхчистая ферритная нержавеющая сталь - это подкатегория ферритной нержавеющей стали с очень низким содержанием C и N (обычно не более 0,015% вместе взятых) и средней или высокой массовой долей Cr. Этот тип нержавеющей стали популярен благодаря хорошей коррозионной стойкости, теплопроводности, сейсмостойкости, технологичности и доступности по сравнению с медью, медными сплавами и титан материалы. Он широко используется в различных отраслях промышленности, включая автомобилестроение, производство кухонной и бытовой техники, строительство и нефтехимическую промышленность.

Однако производство сверхчистой ферритной нержавеющей стали сопряжено с рядом трудностей. Из-за высокой массовой доли Cr и присутствия других легирующих элементов, таких как молибден (Mo) и марганец (Mn), трудно избежать проблем, присущих ферритной нержавеющей стали с высоким содержанием Cr, таких как хрупкость σ-фазы, хрупкость 475 ℃ и высокотемпературная хрупкость.

Поэтому производственный персонал знает о потенциальном вреде этих проблем с хрупкостью и обнаружил, что они в основном вызваны осадком σ-фазы, χ-фазы, α'-фазы, фазы Лавеса и массовой долей элемента Cr.

В данной статье подробно рассматриваются основные характеристики и факторы, влияющие на хрупкость σ-фазы, хрупкость 475 ℃ и высокотемпературную хрупкость сверхчистой ферритной нержавеющей стали. В нем также анализируется влияние этих проблем хрупкости на механические свойства и коррозионную стойкость сверхчистой ферритной нержавеющей стали, что служит справочным материалом для производителей и пользователей.

1. Основные характеристики хрупкости сверхчистой ферритной нержавеющей стали

Сверхчистая ферритная нержавеющая сталь содержит различные элементы сплава и склонна к выпадению различных интерметаллических соединений при горячей обработке, в основном углеродных и азотных соединений Cr, Nb и Ti, а также интерметаллических соединений фаз σ, χ, Laves и α.

Характеристики фаз σ, χ, Laves и α' представлены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристики интерметаллических соединений в сверхчистой ферритной нержавеющей стали

Кривые осадки "С" для фаз σ, χ и Laves некоторых типичных сверхчистых ферритных нержавеющих сталей показаны на рис. 1 и 2.

Из-за вариаций в составе сплава наиболее чувствительный температурный диапазон для выпадения этих фаз находится между 800 и 850°C.

В сплаве 00Cr25Ni4Mo4NbTi (Monit) фазы σ и χ осаждаются относительно быстро, в то время как фаза Лавеса легче всего осаждается при 650°C и требует больше времени для своего формирования.

Независимо от типа хрупкого осадка, чрезмерное количество осадков делает сталь хрупкой, что приводит к резкому снижению ударных свойств.

Рис. 1 26% Gr - (1%~4%) Mo - (0~4%) Ni Ферритная нержавеющая сталь

Рис. 2 Диаграмма TTP ферритной нержавеющей стали 00Cr25Ni4Mo4TiNb (Monit) (после твердого раствора при 1000 ℃)

1.1 Основные характеристики фазы σ хрупкость

Хрупкость σ-фазы возникает в основном из-за осаждения σ- и χ-фазы. Фаза Лавеса имеет схожую температуру осаждения, поэтому она включена в обсуждение.

1.1.1  σ взаимно

σ-фаза - это соединение с размерным коэффициентом, имеющее конфигурацию AB или AxBy и тетрагональную структуру с телесным центром. В ферритных нержавеющих сталях σ-фаза состоит в основном из FeCr или FeCrMo.

В условиях, когда содержание Cr (w(Cr)) находится в диапазоне от 25% до 30%, а температура осаждения составляет от 600 до 1050 ℃, образование σ-фазы облегчается. Образовавшаяся фаза обогащает элемент Cr, как показано на рисунке 3.

σ-фаза немагнитна и обладает высокой твердостью, значение твердости по Роквеллу (HRC) достигает 68. В процессе осадки возникает "эффект объема", который снижает пластичность стали.

Рис. 3 Структура и состав о-фазы ферритной нержавеющей стали 447 по данным линейного анализа EDX

Осаждение σ-фазы может серьезно ослабить нержавеющую сталь, снизив такие ее свойства, как коррозионная стойкость, ударная вязкость и механические свойства.

Образование σ-фазы происходит в две стадии: зарождение и рост. Зарождение обычно начинается на границе зерен α/α' и распространяется оттуда в матрицу.

Когда σ-фаза достигает определенного размера, она выпадает в осадок внутри зерна.

1.1.2 Фаза χ

Сверхчистая ферритная нержавеющая сталь будет образовывать не только σ-фазу, но и σ-фазу, если в ней содержится определенное количество элемента Mo.

Структура χ-фазы имеет кубоцентрированную структуру и тип α-Mn.

В ферритной нержавеющей стали фаза χ состоит в основном из Fe36Cr12Mo10 или (Fe, Ni)36Cr18Mo4.

Как правило, он образуется в условиях, когда содержание Mo (w) составляет от 15% до 25%, а температура находится в диапазоне от 600 до 900℃.

Вязкость стали значительно снижается при образовании χ-фазы.

Было обнаружено, что по сравнению с σ-фазой, Cr и Mo быстрее обогащаются в χ-фазе и быстрее осаждаются в χ-фазе, чем в σ-фазе.

В целом, χ-фаза имеет ту же структуру, что и ферритовая матрица.

Благодаря низкому барьеру потенциала нуклеации, зарождение происходит относительно легко, и χ-фаза обычно выпадает в осадок раньше, чем σ-фаза, как показано на рис. 4.

Рис. 4 Фаза χ, осажденная из ферритной нержавеющей стали 26Cr, выдержанной при 800 ℃ в течение 5 мин.

Когда начнет формироваться χ-фаза, произойдет значительное обогащение Cr и Mo в χ-фазе, что приведет к снижению содержания Cr и Mo. Этого снижения недостаточно для зарождения σ-фазы, что затрудняет формирование σ-фазы на начальном этапе.

Кроме того, χ-фаза является метастабильной, и ее стабильность снижается с увеличением времени старения. По мере разложения χ-фазы в ней образуется достаточно Cr и Mo для зарождения σ-фазы, что в конечном итоге приводит к ее превращению в стабильную σ-фазу.

Как χ-фаза, так и σ-фаза приводят к снижению содержания Cr вокруг фазы осаждения за счет выпадения осадка, образуя зону, бедную Cr, и снижая ее коррозионную стойкость.

1.1.3 Фаза Лавса

Фаза Лавеса представляет собой соединение с размерным фактором, имеющее конфигурацию AB2 и гексагональную структуру, как показано на рисунке 5.

В ферритной нержавеющей стали фаза Лавеса обычно состоит из Fe₂Ti, Fe₂Nb или Fe₂Мо.

Фаза Лавеса в ферритной нержавеющей стали обогащена элементами Si, которые играют решающую роль в поддержании ее стабильности.

Температура осаждения фазы Лавеса находится в диапазоне 650-750℃, в зависимости от состава сплава.

Рис. 5 Осадок фазы из ферритной нержавеющей стали 27Gr-4Mo-2Ni после старения при 1050 ℃ в течение 1 ч.

Андраде Т и др. обнаружили, что после старения при 850°C в течение 30 минут в сверхчистой ферритной нержавеющей стали с моделью DIN 1.4575 наблюдается выпадение фазы Лавеса на границе зерен, размер которой остается неизменным из-за присутствия как фазы Лавеса, так и σ-фазы в виде преципитатов. Скорость роста σ-фазы выше, что препятствует росту части фазы Лавеса.

Было обнаружено, что ферритная нержавеющая сталь 11Cr-0,2Ti-0,4Nb при выдержке при 800°C в течение 24-28 часов демонстрирует большое количество преципитатов фазы Лавеса, которые медленно увеличиваются с течением времени. Однако когда время выдержки достигает 96 часов, фазовые превращения Лавеса становятся грубыми, а их количество уменьшается, при этом осаждение σ-фазы не наблюдается.

1.2 Основные характеристики хрупкости 475 ℃

Ферритная нержавеющая сталь с массовой долей хрома более 12% будет испытывать значительное увеличение твердость и прочностьсопровождается резким снижением пластичности и ударной вязкости после длительного воздействия температур от 340 до 516℃. Это в основном связано с хрупкостью, которая возникает в ферритной нержавеющей стали при температуре 475℃.

Наиболее чувствительная температура для изменения этого свойства - 475 ℃.

Осаждение α-фазы является основной причиной хрупкости ферритной нержавеющей стали 475 ℃.

Фаза α представляет собой хрупкую фазу, богатую Cr, с тетрагональной структурой в центре тела.

В ферритной нержавеющей стали фаза α легко образуется при условии, что w (Cr) больше 15% и температура осаждения составляет 371~550 ℃.

Фаза α' представляет собой сплав Fe Cr, с содержанием Cr от 61% до 83% и Fe от 17,5% до 37%.

В литературе указывается, что при содержании Cr в стали ниже 12% по массе, осаждение α' фазы не происходит, что позволяет избежать образования хрупкости 475℃.

Кроме того, осаждение α' фазы в процессе растворения является обратимым процессом.

При повторном нагреве стали до температуры выше 516℃ и последующем быстром охлаждении до комнатной температуры фаза α' растворяется в матрице, и хрупкость при температуре 475℃ больше не возникает.

1.3 Основные характеристики высокотемпературной хрупкости

Когда содержание Cr в ферритной нержавеющей стали находится в диапазоне от 14% до 30%, быстрое охлаждение после нагрева стали выше 950℃ может привести к снижению удлинения, ударной вязкости и сопротивления. межкристаллитная коррозия. В основном это связано с высокотемпературной хрупкостью феррита.

Основной причиной высокотемпературной хрупкости является осаждение соединений Cr-углерода и Cr-азота. Кроме того, в процессе сварки может произойти осаждение фазы Лавеса, когда температура сварки превышает 950℃, что влияет на общие свойства стали.

Такая уязвимость существует и в сверхчистой ферритной нержавеющей стали, которая еще более чувствительна к высокотемпературной хрупкости из-за высокого содержания Cr и Mo.

Чтобы снизить риск высокотемпературной хрупкости, можно уменьшить содержание C и N и добавить стабилизирующие элементы.

При сварке высокотемпературная хрупкость может привести к значительному повреждению стали. Это происходит потому, что элементы C и N осаждаются на границе зерен во время сварки и реагируют с Cr и Mo, образуя углерод и нитриды, богатые Cr и Mo-, которые постепенно перемещаются к границе зерен.

Кроме того, выпадение фазы Лавеса при 950℃ во время сварки может привести к образованию осадков на дислокациях, границах зерен или внутри зерен, что препятствует перемещению кристаллических дислокаций и границ зерен. В результате локальное расположение атомов становится более регулярным, что повышает прочность стали, но снижает ее пластичность и вязкость.

2. Факторы, влияющие на образование хрупких преципитатов в сверхчистой ферритной нержавеющей стали

2.1 Элементы сплава

Следующие элементы - Cr, Mo, Ti, Nb, W и Cu - в сверхчистой ферритной нержавеющей стали оказывают влияние на образование хрупких осадков.

Повышенная концентрация элемента Cr в ферритной нержавеющей стали приводит к улучшению пассивации, в результате чего повышается устойчивость к поверхностному окислению и стойкость к точечной, щелевой и межкристаллитной коррозии.

Однако более высокая массовая доля Cr также приводит к более быстрому образованию хрупких фаз в ферритной нержавеющей стали. Образование и скорость осаждения фаз α' и σ также зависят от массовой доли Cr, причем более высокая массовая доля приводит к более высокой скорости осаждения. Эта фаза осаждения снижает вязкость стали и значительно повышает температуру ее хрупкого перехода.

Mo является вторым по значимости элементом в ферритной нержавеющей стали. Когда его массовая доля достигает определенного уровня, количество осадков фаз σ и χ в ферритной нержавеющей стали значительно увеличивается.

Исследование Моура и др. показало, что добавление Мо в ферритную нержавеющую сталь 25Cr-7Mo снижает максимальную температуру осаждения α' фазы, уменьшая ее с 475°C до примерно 400°C и увеличивая количество α' фаз.

Канеко и др. обнаружили, что Mo способствует более быстрому накоплению Cr в пассивирующей пленке, тем самым повышая стабильность пленки и усиливая коррозионную стойкость Cr в стали.

Ма и др. обнаружили, что отжиг Сталь 30Cr при температуре 1020°C привела к выпадению фазы Лавеса, состоящей в основном из Fe, Cr, Mo, Si и Nb. Массовая доля Nb и Mo в фазе Лавеса была выше по сравнению с основным металлом. Анализ рентгеновского энергетического спектра фазы Лавеса стали 30Cr, отожженной при 1020°C, показан на рис. 6.

Было замечено, что повышенное содержание Mo в сверхчистой ферритной нержавеющей стали 30Cr ускоряет процесс выпадения фазы Лавеса. Согласно литературным данным, повышенное содержание Mo приводит к выпадению богатой молибденом χ-фазы в нержавеющей стали 26Cr после старения, а при увеличении времени старения часть фазы Лавеса превращается в σ-фазу.

Рис. 6 Рентгеновский анализ энергетического спектра (EDS) фазы Лавеса стали 30Cr после 1020 ℃ Отжиг

(a) EDS-анализ основного металла; (b) EDS-анализ фазы лавса

Добавление в сталь стабильных элементов, таких как Nb и Ti, в сочетании с C и N приводит к выпадению в осадок таких фаз, как TiN, NbC и Fe2Nb. Эти фазы распределяются как внутри зерна, так и по границам зерен, что замедляет образование карбидов и нитридов Cr, повышая тем самым стойкость ферритных нержавеющих сталей к межкристаллитной коррозии.

Anttila et al. исследовали влияние включения Ti и Nb в сварные швы ферритной нержавеющей стали 430. Они обнаружили, что когда температура сварки достигает 950 ℃, образование фазы Лавеса облегчается, что приводит к охрупчиванию сварные соединения и снижение ударной вязкости.

Аналогично, Нагави и другие исследователи обнаружили, что растворимость Nb в матрице ферритной нержавеющей стали уменьшается с повышением температуры во время высокотемпературного старения, что приводит к огрублению фазы Лавеса и снижению прочности стали на разрыв.

Было обнаружено, что включение W в ферритную нержавеющую сталь 444 значительно повышает ее прочность при высокотемпературном растяжении при выдержке при 1000 ℃. Однако с увеличением массовой доли W происходит огрубление фазы Лавеса, что ослабляет эффект упрочнения осаждением и снижает прочность при высокотемпературном растяжении.

Добавление Cu в ферритную нержавеющую сталь приводит к образованию фазы, богатой Cu, что значительно повышает коррозионную стойкость 430 Cu. Бинарные сплавы Fe-Cu и тройные сплавы Fe-Cu-Ni, содержащие Cu, могут повысить прочность и вязкость стали.

Богатая медью фаза в основном выпадает в осадок при 650 ℃ и 750 ℃, и на начальном этапе старения она остается сферической. По мере увеличения температуры и времени старения она постепенно превращается в эллиптическую и стержнеобразную форму, как показано на рисунке 7.

Рис. 7 Морфология фазы, богатой Cu, в ферритной нержавеющей стали 17Cr-0.86Si-1.2Cu-0.5Nb, выдержанной при 750 °C в течение 1 ч.

2.2 Редкоземельные элементы

Редкоземельные элементы (РЗЭ) обладают высокой химической реактивностью, и добавление соответствующего количества РЗЭ может улучшить свойства стали.

Результаты ТЭМ-исследования преципитатов в ферритной нержавеющей стали 27Cr представлены на рис. 9.

В отсутствие РЭ осажденные фазы в ферритной нержавеющей стали имеют более сложную структуру. Как показано на рис. 8(a), вторичные фазы осаждаются на границах зерен и образуют цепочки в ферритной матрице, состоящие в основном из σ-фазы, M23C6, M6C и небольшого количества M2N и χ-фаз.

Однако после добавления РЭ цепочечные осажденные фазы уменьшаются и часто присутствуют в матрице в единичных формах, в основном в виде σ-фазы. Кроме того, уменьшается количество осадков углерода и нитрида, как показано на рис. 8(b).

Было установлено, что оптимальная массовая доля РЗЭ в сверхчистой ферритной нержавеющей стали составляет 0,106%, что повышает упрочняющие свойства. При такой концентрации РЗЭ улучшают структуру зерна, увеличивают энергию удара и изменяют механизм разрушения при ударе с хрупкого на вязкий.

Кроме того, РЭ снижают массовую долю S в стали, уменьшая источник точечной коррозии и повышая стойкость к точечной коррозии.

Рис. 8 Результаты ТЭМ осажденной фазы ферритной нержавеющей стали 27Cr

(a) Изображение в светлом поле образца 0% RE; (b) Изображение в светлом поле образца 0.106% RE

2.3 Лечение старения

Различные виды обработки при старении могут оказывать различное влияние на образование хрупких осадков в материалах.

Когда в чистой ферритной нержавеющей стали образуются хрупкие осадки, это может привести к снижению ее механических свойств, ударопрочности, коррозионной стойкости и общих эксплуатационных характеристик.

Обработка старением позволяет улучшить структуру материала и повысить его пластичность, а также эффективно снизить образование преципитатов и ограничить их негативное воздействие на сталь.

LU HH и др. обнаружили, что при старении ферритной нержавеющей стали 27Cr-4Mo-2Ni при температурах от 600 до 800°C образуются в основном χ-фаза, фаза Лавеса и σ-фаза.

Морфология и распределение этих фаз в ферритной нержавеющей стали 27Cr-4Mo-2Ni, выдержанной при разных температурах, показаны на рис. 9.

Присутствие этих осадков может снизить ударную вязкость, прочность на растяжение и пластичность материала, увеличив при этом его твердость.

После старения при температурах от 600 до 800°C χ-фаза в основном осаждается по границам зерен. Фаза Лавеса осаждается внутри зерна при старении материала при температуре 700°C, в то время как фаза σ обычно образуется на границах зерен после старения при 750°C.

В этот момент фаза Лавеса частично растворяется в матрице, предоставляя атомы Cr и Mo для роста σ-фазы. Такое огрубление зерна может привести к хрупкому разрушению стали.

Рис. 9 Морфология и распределение х-фазы, лав-фазы и о-фазы ферритной нержавеющей стали 27Cr-4Mo-2Ni, подвергнутой старению при различных температурах

(a) Старение при 650 ℃ в течение 4 часов; (b) Старение при 700 ℃ в течение 4 часов; (c) Старение при 750 ℃ в течение 2 часов; (d) Старение при 800 ℃ в течение 4 часов.

Чжан Цзинцзин обнаружил, что когда сверхчистая ферритная нержавеющая сталь SUS444 выдерживается при температуре 850℃ в течение 10 минут, TiN превращается в композитную структуру TiN/NbC/Nb бедной фазы. Прочность связи между композитной структурой и матрицей высока, что значительно повышает ударную вязкость.

Луо И с коллегами обнаружили, что при выдержке сверхчистой ферритной нержавеющей стали 446 при температуре 800℃ фаза σ выпадает в осадок через 0,5 часа и увеличивается с увеличением времени выдержки, образуя сетеподобную структуру. Одновременно с этим в фазе σ появились микротрещины, а ее большое количество снизило вязкость стали.

Ма Ли и другие провели отжиг сверхчистой ферритной нержавеющей стали 26% Cr и обнаружили, что в основном выпадают три осадка: TiN, NbC и χ. Вредная χ-фаза приводила к хрупкости стали. С повышением температуры отжига до 1020℃ χ-фаза постепенно уменьшалась до незначительного количества. Таким образом, для устранения χ-фазы необходима высокая температура отжига.

Для ферритной нержавеющей стали с высоким содержанием Cr 27,4Cr-3,8Mo-2,1Ni, QUHP и другие обнаружили, что после старения при 950℃ в течение 0,5 часов выпали в осадок фазы σ и Laves, что повысило твердость стали, но снизило ее пластичность. Эти вредные фазы могут быть растворены в матрице после обработки раствором при 1100℃ в течение 0,5 часов.

Ву Мин с коллегами обнаружили, что при отжиге горячекатаного листа 441 при температуре 900-950℃ выпадает большое количество фаз Лавеса. Как показано на рис. 10, существует две осажденные фазы: (1) первичная фаза, которая представляет собой композитную структуру (Ti, Nb) (C, N) с размером около 5 мкм и (2) фаза Лавеса, которая является маленькой, многочисленной, плотной и равномерно распределенной по границам зерен, субзеренным границам и зернам. Повышение температуры отжига до 1000-1050℃ эффективно устранило фазу Лавеса, но небольшое количество фазы Nb (C, N) выпало в осадок.

Рис. 10 Морфология фазы ворса горячекатаного листа из ферритной нержавеющей стали 441 после различных температур отжига

(a) Появление фазы Лейвса после отжига при 900 ℃; (b) Появление фазы Лейвса после отжига при 950 ℃.

3. Влияние хрупкости на свойства сверхчистой ферритной нержавеющей стали

3.1 Влияние хрупкости на механические свойства

Исследование показало, что высокое содержание Cr и Mo и определенное количество Nb в микроструктуре может легко привести к образованию хрупких интерметаллидов, таких как (Fe Cr Mo) тип σ фазы, (Fe Cr Mo) тип χ фазы и Fe2Nb тип Laves фазы. Эти хрупкие интерметаллиды приводят к значительному снижению пластической вязкости и повышению твердости сверхчистой ферритной нержавеющей стали.

Немецкий ученый Saha R и его коллеги обнаружили, что низкая растворимость элемента C приводит к тому, что ферритная нержавеющая сталь осаждает высокотвердый (Ti, Nb) C при высокотемпературном охлаждении, а диспергированный (Ti, Nb) C улучшает прочность и твердость из стали.

Исследование также показало, что двухфазные частицы Cr23C6 и Cr2N в сплаве оказывают сильное влияние на механические свойства, особенно на вязкость и пластичность, что приводит к снижению вязкости и пластичности и повышению риска разрушения.

Типичное выпадение α' фазы приводит к обеднению Cr в ферритной матрице, снижая коррозионную стойкость и вязкость стали и повышая ее твердость.

Было обнаружено, что при старении ферритной нержавеющей стали 444 при температуре 400-475 ℃ осаждение фазы α' приводит к увеличению твердости, но после старения в течение более 500 часов при температуре 475 ℃ ее вязкость резко падает.

На рис. 11 показана твердость сверхчистой ферритной нержавеющей стали 441 и энергия, поглощенная при разрушении после старения.

Рис. 11. Изменение твердости и поглощенной энергии разрушения сверхчистой ферритной нержавеющей стали 441 с течением времени после старения при 400 ℃ и 450 ℃

(a) Твердость изменяется со временем старения; (b) Энергия, поглощенная при разрушении, изменяется со временем старения.

Луо Йи и его коллеги обнаружили, что прочность на разрыв сверхчистой ферритной нержавеющей стали 446 может быть в некоторой степени улучшена, если после обработки старением не сформировалась сетевая структура фазы σ.

Однако, когда осадки фазы σ образуют сетевую структуру, прочность на разрыв и удлинение материала значительно снижаются, как показано на рис. 12.

Более того, независимо от того, образуется ли сетевая структура, осаждение фазы σ наносит серьезный ущерб ударным свойствам материала, что приводит к снижению его ударных свойств и не позволяет соответствовать определенным требованиям, предъявляемым к стали.

Рис. 12 Изменение прочности на разрыв и удлинения сверхчистой ферритной нержавеющей стали 446 с течением времени после старения при 800 ℃

Осаждение фазы Лавеса в сверхчистой ферритной нержавеющей стали имеет как положительные, так и отрицательные последствия.

Согласно литературным данным, при длительном старении в стали начинает осаждаться фаза Fe2Nb, что приводит к снижению ее вязкости и высокотемпературной прочности.

Однако добавление элементов Si и Nb в осадки фазы Лавеса приводит к увеличению сопротивления ползучести и высокотемпературной прочности стали. Присутствие W в фазе Лавеса также способствует повышению прочности стали при высокотемпературном растяжении.

Как показано на рис. 13, по сравнению с ферритной нержавеющей сталью 444, не содержащей W, прочность на разрыв значительно повышается, когда массовая доля W находится в диапазоне от 0,5% до 1%.

При старении при 900 ℃ прочность на разрыв немного снижается с увеличением времени старения, но в конечном итоге стабилизируется. При 1000 ℃ прочность на разрыв может значительно уменьшиться, но начальная прочность на разрыв остается выше, чем у стали не W.

Рис. 13 Изменение прочности при высокотемпературном растяжении ферритной нержавеющей стали 444 в зависимости от времени старения при температурах 900 и 1000 °С

（a）900℃； （b）1000 ℃。

Фаза Лавеса выпадает в осадок из ферритной нержавеющей стали 441 во время старения при 850 ℃ и быстро растет. Когда она образует сетевую структуру вдоль границ зерен, это снижает пластичность и ударную вязкость стали. По мере уменьшения количества границ зерен и увеличения размера зерна скорость выпадения осадка снижается.

Механические свойства ферритной нержавеющей стали 19Cr-2Mo Nb Ti при различных температурах старения представлены на рис. 14. В процессе старения стали при температурах от 850 ℃ до 1050 ℃ фазы Лавеса типа (FeCrSi)2(MoNb) и (Fe, Cr)2(Nb, Ti) превращаются в осадки (Nb, Ti)(C, N). Массовая доля Nb в растворе будет увеличиваться за счет растворения и огрубления преципитатов, что приведет к снижению его прочности на разрыв.

Однако после обработки старением при 950 ℃ однородность рекристаллизованных зерен улучшается, а удлинение резко возрастает, достигая 37,3%. Затем оно постепенно стабилизируется на уровне 32,6%.

Рис. 14 Механические свойства ферритной нержавеющей стали 19Cr-2Mo-Nb-Ti при различных температурах старения

3.2 Влияние хрупкости на коррозионную стойкость

Было установлено, что выпадение хрупкой фазы негативно сказывается на коррозионной стойкости стали.

Кроме того, согласно литературным данным, высокая массовая доля Cr в сверхчистой ферритной нержавеющей стали 27,4Cr-3,8Mo приводит к образованию фаз σ и χ после старения при 950°C в течение 0,5 часов, что приводит к снижению питтингостойкости.

Однако старение при 1100°C в течение 0,5 часа приводит к постепенному исчезновению фаз σ и χ и восстановлению питтингостойкости. Изменение питтингового потенциала показано на рис. 15.

Рис. 15 Потенциал питтинга для нержавеющей стали 24,7Cr-3,4Mo и 27,4cr-3,8Mo

Содержание хрома (Cr) и молибдена (Mo) в нержавеющей стали играет решающую роль в ее коррозионной стойкости. Когда массовая доля Cr превышает 25%, а температура находится в диапазоне 700-800°C, происходит осаждение σ- и χ-фаз, что приводит к снижению коррозионной стойкости.

Кроме того, Cr легко соединяется с элементами углерода (C) и азота (N), вызывая осаждение на границе зерен или внутри зерен. Это приводит к образованию углерода и нитрида с высоким содержанием Cr, что снижает массовую долю Cr и коррозионную стойкость. Осадки также повреждают пассивирующую пленку, заставляя ее терять свою однородность и стабильность, тем самым влияя на коррозионную стойкость стали.

Сварные соединения в агрессивных средах подвержены межкристаллитной, питтинговой, щелевой и другим видам локальной коррозии. Исследователи, такие как Хуан Чжитао, обнаружили, что увеличение массовой доли Mo в высокочистой ферритной нержавеющей стали в хлоридной среде может задержать выпадение осадка M23C6 (где M - Fe, Cr и Mo) и повысить стойкость к точечной коррозии.

Чжан Хенхуа и др. обнаружили, что добавление определенного количества Mo в сверхчистую ферритную нержавеющую сталь 26Cr может обогатить Cr в пассивирующей пленке и повысить ее стабильность, тем самым улучшая стойкость материала к точечной коррозии. Тонг Лихуа и др. обнаружили, что добавление ниобия (Nb) и титана (Ti) в сверхчистую ферритную нержавеющую сталь может эффективно предотвратить осаждение углерода Cr и соединений азота и повысить стойкость к межкристаллитной коррозии.

Однако другие исследования показали, что высокое содержание Ti и N в сверхчистой ферритной нержавеющей стали 15Cr может привести к образованию TiN, что ускоряет рост точечной коррозии и негативно сказывается на коррозионной стойкости материала. Вэнь Гоцзюнь с коллегами обнаружили, что старение ферритной нержавеющей стали 430Ti при температуре 475°C в течение 0-100 часов приводит к увеличению твердости, α' и α-фаз и значительному снижению коррозионной стойкости, как показано на рис. 16.

Рис. 16 Коррозионная стойкость ферритной нержавеющей стали 430Ti

В заключение следует отметить, что чем выше массовая доля Cr в сверхчистой ферритной нержавеющей стали, тем выше вероятность образования преципитатов, которые значительно снижают ее коррозионную стойкость. Добавление соответствующих количеств ниобия (Nb), титана (Ti) и молибдена (Mo) может повысить коррозионную стойкость стали, однако образование TiN из Ti оказывает негативное влияние на стойкость стали к питтинговой коррозии.

4. Заключение и перспектива

В данной работе проанализированы основные характеристики и факторы, влияющие на σ-фазную хрупкость, хрупкость при температуре 475°C и высокотемпературную хрупкость сверхчистой ферритной нержавеющей стали. Сделаны следующие выводы:

(1) Хрупкость σ-фазы в сверхчистой ферритной нержавеющей стали обусловлена выпадением σ-фазы и χ-фазы, богатых элементами хрома и молибдена. Хрупкость при температуре 475°C обусловлена выпадением богатой хромом α'-фазы. Высокотемпературная хрупкость обусловлена осаждением углерода и нитрида хрома.

(2) Легирующие элементы, редкоземельные элементы (RE) и обработка старением в сверхчистой ферритной нержавеющей стали оказывают определенное влияние на осажденные фазы, что может в некоторой степени препятствовать возникновению хрупкости σ-фазы, хрупкости при температуре 475°C и высокотемпературной хрупкости.

Ниже перечислены конкретные виды воздействия:

① Осаждение фаз α ', σ , χ и Laves увеличивается при повышении содержания Cr и Mo. В сверхчистой ферритной нержавеющей стали добавление стабилизирующих элементов может уменьшить или устранить высокотемпературную хрупкость в тонких сечениях. Высокотемпературной хрупкости можно избежать, избегая высоких температур при термообработке. Добавление Ti и Nb также может задержать выпадение σ-фазы, снижая ее хрупкость. Однако добавление Ti и Nb приводит к образованию фазы Лавеса, а высокое содержание Nb может вызвать огрубление фазы Лавеса.

② Добавление RE уменьшает осаждение углерода и нитридов в фазах σ и Cr, снижая хрупкость фазы σ и высокотемпературную хрупкость, а также улучшая механические свойства и стойкость стали к точечной коррозии.

③ Различные виды обработки при старении оказывают различное влияние на осадки. Осадки могут незначительно отличаться в зависимости от содержания Cr. При старении при 600-800 ℃ выпадает небольшое количество фаз σ, χ и Laves. При 600 ℃, α 'фаза повторно растворяется в матрице, а хрупкость исчезает при 475 ℃. Большое количество фаз σ, χ и Laves выпадает в осадок при старении при 850-950 ℃. При старении при 1000-1100 ℃ количество осадков фаз σ, χ и Laves уменьшается или даже исчезает. Хрупкость фазы σ может быть устранена путем старения при температуре выше 1000 ℃.

(3) Осаждение вторичных фаз, таких как α', σ, χ и Laves, в сверхчистой ферритной нержавеющей стали может оказывать значительное влияние на ее механические и коррозионные свойства. Осаждение этих фаз снижает вязкость и пластичность стали, повышает ее прочность и твердость, а также влияет на коррозионную стойкость.

Добавление элементов Si и W в фазу Лавеса повышает ее высокотемпературную прочность и предел прочности при растяжении. Кроме того, добавление элементов Cu приводит к выпадению фазы с высоким содержанием Cu, что повышает вязкость стали.

Внутренние ресурсы никеля ограничены, и чрезмерное потребление может привести к их нехватке, что серьезно скажется на индустрии нержавеющей стали.

Сверхчистая ферритная нержавеющая сталь, являясь ресурсосберегающей сталью, обладает высокими комплексными характеристиками и низкой комплексной стоимостью, что делает ее неизбежным выбором для отечественной индустрии нержавеющей стали в пользу продвижения нержавеющей стали серии 400 с низким содержанием никеля.

Сверхчистая ферритная нержавеющая сталь постепенно заменила некоторые виды аустенитной нержавеющей стали в таких отраслях, как автомобилестроение, производство бытовой техники и лифтов. Она также успешно используется при строительстве крыш больших зданий, таких как аэропорты и стадионы.

Ожидается, что рынок сверхчистой ферритной нержавеющей стали будет расти в будущем, имея большие масштабы и широкие перспективы.

В будущем очень важно обратить внимание на хрупкость сверхчистой ферритной нержавеющей стали. Чтобы обеспечить хорошие механические свойства и коррозионную стойкость, необходимо эффективно сдерживать образование σ-фазной хрупкости, хрупкости при температуре 475℃ и высокотемпературной хрупкости в процессе производства и использования. Таким образом, можно полностью использовать преимущества "ресурсосбережения", что приведет к большему прогрессу и развитию индустрии нержавеющей стали.